(57)【要約】【課題】  突合せ継手溶接時の入熱エネルギを大きくしても安定した溶接ビードが得られるとともに、絞り加工性や耐穴あき腐食性に優れたテーラードブランク材を低コストで提供する。【解決手段】  ３〜１５質量％のＡｌ，２〜５質量％のＭｇ，さらに必要に応じて０．５質量％以下のＳｉを含み、残部がＺｎと不可避的不純物からなる溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき層を片面当り２０ｇ／ｍ2以上の付着量でその両面に有するめっき鋼板の端部と冷延鋼板の端部と突合せ、当該突合せ継手部を溶融溶接する。  めっき成分に含まれるＡｌが溶接時の溶融金属の流動性を高めてキーホールを充填し、溶接ビードのハンピングや穴開き状態を抑制する。このため生産性に優れる。また溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき層により優れた耐食性を発現できる。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる鋼板を溶接接合してテーラードブランク材を製造する際に、一方の鋼板として、３〜１５質量％のＡｌ，２〜５質量％のＭｇを含み、残部がＺｎと不可避的不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき層を片面当り２０ｇ／ｍ2以上の付着量でその両面に有するめっき鋼板を用い、その端部を他の鋼板の端部と突合せ、当該突合せ継手部をレーザビーム溶接又はプラズマ溶接することを特徴とするテーラードブランク材の製造方法。
【請求項２】
互いに異なる鋼板を溶接接合してテーラードブランク材を製造する際に、一方の鋼板として、３〜１５質量％のＡｌ，２〜５質量％のＭｇ，０．５質量％以下のＳｉを含み、残部がＺｎと不可避的不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき層を片面当り２０ｇ／ｍ2以上の付着量でその両面に有するめっき鋼板を用い、その端部を他の鋼板の端部と突合せ、当該突合せ継手部をレーザビーム溶接又はプラズマ溶接することを特徴とするテーラードブランク材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば絞り加工して自動車のボディや部品を製造する際の素材として好適なテーラードブランク材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年自動車用ボディ部品をプレス成形する際、材料歩留まりの向上，工程の簡素化、金型数の削減等を目的として、２種類以上の部品を一体成形する技術が採用されている。このような一体成形部品をプレス成形する素材、いわゆるテーラードブランク材としては、一般に板厚や材質の異なる鋼板を溶接接合されたものが用いられている。
テーラードブランク材は、強度が必要な部分にのみ高張力鋼板や板厚の厚い鋼板を使用して他の部位には強度の小さい鋼板や板厚の薄い鋼板を配置したり、耐食性が必要な部位にのみめっき鋼板を使用したりするといった適材適所の材料を配置した自動車ボディの構成を可能とする。このため、めっき鋼板や板厚の厚い鋼板を不必要に使用することがなくなり、大幅なコスト削減と車体重量の軽量化を図ることができる。
【０００３】
ところで、自動車分野では、走行中に泥水等が自動車の下側部分に付着して当該部分を錆やすくしていることから、自動車の下側部分には防錆能力の向上が望まれている。特に北米地域の自動車メーカは、自主規制として１０年，１５万マイル走行後の自動車ボディでの穴あき腐食保証を唱えているが、さらに保証年数，保証距離の延長化の動きもある。このため、穴あき腐食が起こりやすい部位、例えばフロアーパネルやサイドシルといったアンダーボディ部、或いはドアのヘム部やホイールハウスの合わせ部などといった部位での穴あき腐食対策の強化が課題となり、耐食性に優れためっき鋼板の使用が増加しようとしている。
【０００４】
めっき鋼板を熱延鋼板や冷延鋼板と組合せてテーラードブランク材を製造する際、接合方法も問題となる。テーラードブランク材を構成するブランク材の接合方法としては、一般的に、レーザ溶接，プラズマ溶接のような溶融溶接法と、抵抗溶接法であるマッシュシーム溶接法があるが、めっき鋼板を部分的に用いたテーラードブランク材の場合には、めっき鋼板により電極輪の寿命が低下するため、マッシュシーム溶接法よりも溶融溶接法を用いることが多い。しかも溶接継手としては突合せ継手とする場合が多い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
テーラードブランク材を溶融溶接法で製造しようとする際、生産性を高めるために各ブランク材を接合する溶接速度を高めることが試みられている。しかし、溶接速度を高めるためには、材料を十分に溶融・凝固させるために入熱エネルギを高める必要がある。すなわち、プラズマ溶接の場合には溶接電流を、レーザ溶接の場合にはレーザビーム出力を高める必要がある。
しかしながら、プラズマ溶接で溶接電流を過度に高めると高いアーク力によって溶融池を押し下げる量が異常に多くなってその部分に後方の溶融金属が充填しきれなかったり、またレーザ溶接でレーザビーム出力を過度に上げるとキーホールの深さが深くなりすぎて後方の溶融金属がキーホールを十分に充填しきれなくなったりしてしまう。これにより、溶接ビードがハンピング状態になったり、穴開き状態になったりして溶接不良が発生するという問題がある。
【０００６】
このような問題を解消するため、例えば特許文献１では、テーラードブランク材の構成材料の成分である鋼中のＣ或いはＳｉ量を変更する方法が提案されている。しかしながら、この方法は使用鋼種が限定される。或いはめっき母材のＳｉ量を増やそうとすると、Ｓｉがめっき密着性を低下させるという問題が生じる。
このため、溶接ビードの安定性以外にも溶接後の加工性やめっき鋼板製造時の安定性等を考慮して成分設計しなければならないことはもとより、鋼材の製造時に非常に細かい成分調整をしなければならないため鋼材製造時の効率低下，歩留まり低下を招いて、結果としてコストの高い材料となってしまう。
【特許文献１】特開２００３−９４１７０号公報
【０００７】
一方、自動車部品であって、耐食性を必要とするものには通常亜鉛めっき鋼板が用いられているが、さらなる穴あき腐食対策としては、めっき付着量の増加やシーラ或いはワックスを塗布する２次防錆による防錆強化が挙げられる。しかしながら、シーラやワックスを塗布しようとすると、自動車部材等では穴あき腐食が懸念される部位である隙間部や袋構造部が多く、それらの部位への塗布を人手を介して行うことは困難を極める。また塗布が手探り状態で行われるためシールが不十分な場合もある。さらにめっき付着量の増加やシーラやワックスを塗布するために、材料コストや副資材コストが増加することも問題となる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、突合せ継手溶接時の入熱エネルギを大きくしても安定した溶接ビードが得られるとともに、絞り加工性や耐穴あき腐食性に優れたテーラードブランク材を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のテーラードブランク材の製造方法は、その目的を達成するため、互いに異なる鋼板を溶接接合してテーラードブランク材を製造する際に、一方の鋼板として、３〜１５質量％のＡｌ，２〜５質量％のＭｇ，必要に応じてさらに０．５質量％以下のＳｉを含み、残部がＺｎと不可避的不純物からなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき層を片面当り２０ｇ／ｍ2以上の付着量でその両面に有するめっき鋼板を用い、その端部を他の鋼板の端部と突合せ、当該突合せ継手部をレーザビーム溶接又はプラズマ溶接することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、テーラードブランク材を構成するめっき鋼板として、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板を用いることにより、突合せ継手部を溶融溶接する際に形成される溶接ビードの安定性がよく、入熱エネルギを高くすることが可能となるので生産性が向上する。
また、突合せ継手溶接されたテーラードブランク材は、絞り加工性に関しては従来品と同程度であるが、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき層に基づく優れた耐穴あき腐食性や耐塗膜膨れ腐食性を有しているため、その後絞り加工された自動車部品等の高性能化に貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者等は、２種類以上の部品を一体的にプレス成形する際に用いられるテーラードブランク材として、溶接時に形成される溶接ビードの安定性と製造されたテーラードブランク材の絞り加工性並びに耐穴あき腐食性等の向上策について種々検討した。
まず、防錆力向上の目的からめっき鋼板が用いられているテーラードブランク材は、例えばセンターピラーのように、厳しい耐食性が要求される下側部分にめっき鋼板が用いられ、他の部分に冷延鋼板が用いられている。そこで、耐穴あき腐食性等の向上策として、通常用いられている合金化溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＡ）や溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＩ）よりも優れた耐食性を有するめっき鋼板の使用が想定される。
【００１１】
本出願人等は、前記ＧＡやＧＩよりも優れた耐食性を有するめっき鋼板として、Ａｌ，Ｍｇ及び必要に応じてさらにＳｉを含み、残部がＺｎ及び不可避的不純物からなる溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の合金めっき浴を用いて溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっきを施した鋼板を提案してきた（例えば、特開２００２−２２６９５８号公報参照）。
本発明も、基本的には上記で提案のめっき鋼板を用いるものである。
素材の一部にめっき鋼板を用いてテーラードブランク材を接合する際には、前記したように、継手として突合せ継手を採用し、溶接法としてレーザ溶接，プラズマ溶接のような溶融溶接法を採用する。本発明でも、従来どおり、突合せ継手部を溶融溶接する手法を採用する。
【００１２】
ところで、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板を普通の熱延鋼板や冷延鋼板と突合せ、突合せ継手溶接してテーラードブランク材を製造する際には、溶接性やその後のプレス加工性或いは実際に自動車部品として使用する際の耐穴あき腐食性等の特性と、めっき層の組成やめっき付着量との関係を予め検討する必要がある。
そこで、まずめっき層の組成と溶接性の関係を検討した。
前記したようにセンターピラー等を絞り加工する際に用いられるテーラードブランク材としては、材料特性やコスト等を考慮してめっき鋼板と冷延鋼板とを組合せたものが多いことから、上記検討においても、めっき鋼板と組合せる鋼板として通常の冷延鋼板を採用した。
【００１３】
めっき鋼板として、片面当りの付着量が６０ｇ／ｍ2の溶融Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇ合金めっき鋼板と、片面当りの付着量が６０ｇ／ｍ2の合金化溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＡ）を用いた。なお、めっき鋼板及び冷延鋼板としては、いずれも板厚が０．８ｍｍのものを用いた。上記２種のめっき鋼板１を、それぞれ図１に示すように冷延鋼板２と突合せ、継手部３をレーザ４で溶接した。そして、レーザビームの出力とビードの形状との関係をみた。その結果を図２に示す。
溶接ビードがハンピング状態や穴開き状態となって不良形状となる最大レーザビーム出力は、冷延鋼板と溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板の方が、冷延鋼板とＧＡの組合せよりも高いことがわかる。すなわち、最大レーザビーム出力を高くしても、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板との組合せの方が、正常な溶接ビードを維持しやすいことがわかる。最大レーザビーム出力を高くすることは、溶接速度を早くすることにつながり、結果的に生産効率が向上できることになる。
【００１４】
溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板との組合せの方が、正常な溶接ビードが形成されやすい現象は、溶接時にめっき層のＡｌが溶融池に混入し、溶融金属の粘性を下げて流動しやすい状態に変質させるため、レーザビームが高出力化してキーホール深さが増大しても、後方の溶融金属がキーホールを充填しやすくなっていることによるものと推測される。
また、この作用は、プラズマ溶接の際にも同様に発現する。溶接電流を高くして溶融池を過度に押し下げても、その部分に後方の溶融金属が容易に流入して溶融池を充満させ、正常な溶接ビードを形成するものと推測される。
【００１５】
次に、上記２種のテーラードブランク材の絞り加工性について検討した。
それぞれ、突合せ継手溶接部分が中心になるようにブランクし、カップ加工による限界絞り比（Ｌ．Ｄ．Ｒ）の測定を行った。その結果を図３に示す。
溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板と冷延鋼板を組合せたサンプルの絞り加工性は、ＧＡと冷延鋼板を組合せたサンプルの絞り加工性と比べて同等以上であることがわかる。溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき層を形成した鋼板を用いたテーラードブランク材であっても、特殊な金型形状や成形条件を採用する必要はなく、従来から用いられているＧＡ材と同様に絞り加工することが可能である。
【００１６】
さらに、上記２種のテーラードブランク材の耐食性について検討することになるが、自動車部品等において、耐食性を必要とする箇所にのみめっき鋼板が配置されているので、テーラードブランク材全体についての耐食性は検討する必要がない。そこで、２種のめっき鋼板についての耐食性を検討した。また、自動車部品等にあっては電着塗装された状態で使用されている。そして腐食されやすい部位が、通常電着塗膜が付き廻りにくい袋構造部等であることを考慮し、リン酸塩処理後に電着塗膜の膜厚を５μｍと、一般的な評価時よりも膜厚を薄くしたテストピースを作製し、ＪＩＳ  Ｈ８５０２に準じた複合腐食試験を行って、耐穴あき腐食性を調査した。
【００１７】
図４は、板厚が０．７ｍｍで、片面当りのめっき付着量が６０ｇ／ｍ2の溶融Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇ合金めっき鋼板と、片面当りの付着量が６０ｇ／ｍ2の合金化溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＡ）並びに溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＩ）についての、穴あき腐食に到るまでのサイクル数を示したものである。
ＧＡをベースにしたものでは２４０サイクルで、ＧＩをベースにしたものでは２８０サイクルで穴あき腐食に到っているのに対して、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板をベースにしたものにあっては５００サイクル終了後も穴あき腐食は発生していなかった。
【００１８】
さらにまた、外観を問われる部位への適用を想定し、傷が付いた塗膜部の塗膜膨れ腐食を調査した。
板厚が０．７ｍｍで、片面当りのめっき付着量が６０ｇ／ｍ2の溶融Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇ合金めっき鋼板と、片面当りのめっき付着量が６０ｇ／ｍ2の溶融Ｚｎ−１８質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇ合金めっき鋼板並びに片面当りの付着量が６０ｇ／ｍ2の合金化溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＡ）をベースに、リン酸塩処理後に電着塗膜の膜厚を２０μｍに調整したテストピースを作製し、ＪＩＳ  Ｈ８５０２に準じた複合腐食試験を行って、クロスカット部からの塗膜膨れ幅を調査した。
１００サイクル後の塗膜膨れ幅は、溶融Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇ合金めっき鋼板と合金化溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＡ）では、ともにほぼ同等の２ｍｍ以下であったが、溶融Ｚｎ−１８質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇ合金めっき鋼板では５ｍｍ以上を示し、耐塗膜膨れ腐食性に劣っていた。めっき層中のＡｌ量が多すぎると却って耐塗膜膨れ腐食性を低下させることがわかる。
【００１９】
溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板は、そのめっき層の組成によって特性が変化する。したがって、その成分組成は、溶融溶接性及びその後使用される場合の耐穴あき腐食性や耐塗膜膨れ腐食性を考慮して決められる。
適正量のＡｌとＭｇを含む溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっきを施した鋼板は、めっき層が腐食すると、ＡｌとＭｇを含んだＺｎ腐食生成物が生成し、その腐食生成物がＡｌとＭｇにより安定化するため防食効果がたかまり、耐穴あき腐食性が向上する。また、例えば自動車ボディのように塗装前処理であるリン酸塩処理を行ったときに、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板のめっき層は、主にＺｎとＡｌとＭｇが微細に分散した三元共晶組織から成ることから、そのめっき層上には微細で緻密なリン酸塩結晶が析出し、ＺｎとＡｌから成る従来の溶融Ｚｎ−Ａｌ系合金めっき鋼板では劣っていた耐塗膜膨れ腐食性も満足できるものとなる。
【００２０】
詳細は後記の実施例に譲るが、その限定理由を次に記す。
Ａｌ：３〜１５質量％
溶融めっき金属の粘性を下げて良好な溶接ビードを保つためには、めっき層中のＡｌとしては３質量％以上が必要である。一方、Ａｌ量の増加は溶接ビードに対しては良好に働くものの、めっき層中やめっき表面でのＡｌ相の占める割合が増えることから、自動車ボディ等に使用する際の塗装前処理であるリン酸塩処理性を阻害して塗膜膨れ耐食性を低下させる。このため、めっき層中のＡｌ量は１５質量％以下、好ましくは１０質量％以下にする。
【００２１】
Ｍｇ：２〜５質量％
良好な耐穴あき腐食性を得るためには、めっき層中のＭｇ量は２質量％以上にする必要がある。Ｍｇの添加は耐穴あき腐食性を向上させるばかりでなく、リン酸塩処理性に対しても効果を発揮する。すなわち、ＡｌとＭｇが複合添加されると、同量のＡｌを単独で添加したＺｎ−Ａｌ系のめっき層と比べてリン酸塩処理性が改善され、耐塗膜膨れ腐食性が良好になる。一方、Ｍｇ添加量が多くなりすぎると、めっき層中にＺｎ2Ｍｇ相が現れるようになる。Ｚｎ2Ｍｇ相はＺｎ相と比較して電位的に卑であることから、めっき層中で優先的に腐食する。そのため、Ｚｎ2Ｍｇ相の出現量が多いほど、すなわちＭｇ添加量が過度になるほど、めっき層内で優先腐食する部分が増え、耐塗膜膨れ腐食性が低下する。Ｚｎ2Ｍｇ相の出現限界がＭｇ：５質量％であるから、めっき層中のＭｇ量は５質量％以下とする。
さらに、Ｚｎ2Ｍｇ相の出現を抑える目的で、めっき層中にはＴｉ，Ｂを０．０１質量％以下の割合で適宜添加しても良い。
【００２２】
Ｓｉ：０．５質量％以下
Ｓｉは、Ａｌと複合添加されるとき、良好な溶接ビード状態を形成する作用を有する。一方、０．５質量％を超える添加は、めっき層中やめっき表面でＳｉの金属間化合物を形成し、Ａｌと同様にリン酸塩処理性を阻害して耐塗膜膨れ腐食性を低下させる。したがって、Ｓｉを含ませる場合には、０．５質量％以下とする。
めっき付着量が少ないと良好な耐穴あき腐食性と溶接ビード状態を得る上で、形成しためっき層の効果が発現しないので、片面当り２０ｇ／ｍ2以上の付着量でめっきする必要がある。
【実施例】
【００２３】
板厚が一定の０．８ｍｍとし、付着量とめっき層中の組成を種々変えた溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板を準備し、ＹＡＧレーザを用いて同板厚の冷延鋼板との突合せ継手溶接を、図１に示すように、めっき鋼板と冷延鋼板の突合せ位置にレーザビームを照射して行った。
このとき、レーザビーム出力は３．５ｋＷに統一し、他は表１に示す条件とした。
溶接サンプルの評価は、溶接ビード形成状態，表２に示す条件で実施した絞り加工性，及び前述したのと同様の穴あき腐食と塗膜膨れ腐食の塗装後耐食性試験を行った。
【００２４】
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【００２５】
2006218518.tif 000003
【００２６】
それらの結果をまとめて表３に示す。
なお、表３中の溶接ビード状態は、ハンピングや穴開きがなかったものを◎で、ハンピングや穴開きがあったものを×で示している。耐穴あき腐食性は、ＪＩＳ  Ｈ８５０２による複合腐食試験を５００サイクル行っても穴あき腐食しなかったものを◎で、４９９〜３００サイクルで穴あき腐食したものを○で、３００サイクル未満で穴あき腐食したものを×で示している。耐塗膜膨れ腐食性は、ＪＩＳ  Ｈ８５０２による複合腐食試験を１００サイクル行った後、クロスカット部からの塗膜膨れ幅を測定し、その幅が３ｍｍ未満のものを◎で、３ｍｍ以上〜５ｍｍ未満のものを○で、５ｍｍ以上のものを×で示している。
また、表３中、Ｎｏ．９は溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板とＧＡ材の突合せ継手溶接、Ｎｏ．１８は、ＧＡ材同士の突合せ継手溶接の結果を示したものである。
【００２７】
表３に示す結果からもわかるように、Ｎｏ．１〜９，１１〜１３及び１５のように、めっき成分にＡｌが３質量％以上含まれ、かつ片面当りのめっき付着量が２０ｇ／ｍ2以上の場合、溶接時にめっき金属のＡｌが溶融池に混入し、溶融金属の粘性を下げて流動しやすい状態にすることから、後方の溶融金属がキーホールを充填しやすくして、溶接ビードにハンピングや穴開きが発生し難くなっている。
めっき付着量が少なかったり（Ｎｏ．１０）、めっき成分のＡｌ量が少なかったり（Ｎｏ．１４）すると、キーホールの充填が不十分で溶接ビードにハンピングや穴開きが見られた。また、めっき付着量が少なかったり（Ｎｏ．１０）、めっき成分のＭｇ量が少なかったり（Ｎｏ．１２）すると、耐穴あき腐食性が不十分であった。さらに、めっき成分のＡｌ量が多すぎたり（Ｎｏ．１１）、めっき成分のＭｇ量が多すぎたり（Ｎｏ．１３）すると、却って耐塗膜膨れ腐食性が低下している。
【００２８】
2006218518.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】突合せ継手溶接法を概略的に説明する図
【図２】めっき合金種の違いによる溶接ビードの形成状況を比較した図
【図３】めっき合金種の違いによる絞り加工性を比較した図
【図４】めっき合金種の違いによる耐穴あき腐食性を比較した図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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